岩石节理抗剪强度与渗透特性试验研究

发布时间：2017-12-12 11:19

  本文关键词：岩石节理抗剪强度与渗透特性试验研究

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【摘要】：天然岩体包括由矿物组成的岩石和节理裂隙等结构面。岩体的水力特性由岩石和结构面共同决定,一般情况下结构面对其影响更大。结构面的存在使得岩体的水力特性复杂多变,其中节理面的粗糙起伏对结构面的力学、渗透特性具有重要影响。岩石结构面的力学和渗透特性是岩石力学的基础科学问题。近十几年来,许多大型岩体工程领域相关的工程建设如水能资源开发、石油天然气开采、油／气能源地下储存、高放核废料地质处置、污染物运移治理等将涉及复杂地质环境下岩体的变形稳定、渗流运动规律与渗流控制等问题。结构面的剪切力学性质是节理水力耦合机理研究的基础,是保证大型岩体工程施工安全的重要保障,并对于维持岩体工程的长期安全与稳定具有重要影响。岩石节理渗流特性及相关影响因素的控制机理研究是节理水力耦合特性研究的重要组成部分。目前,岩石节理渗流运动的理论有待发展和深化,开展剪切作用下岩石节理强度与渗透规律研究是岩石力学基础理论发展和岩体工程实践的需求。建立演示节理三维抗剪强度模型具有重要的工程价值,深入研究岩石节理渗流规律及其几何形貌影响机制将具有重要理论意义。本文在已有研究成果的基础上,采用室内试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,以岩石劈裂节理为主要研究对象开展研究。为了探究岩石节理的剪切渗流特性,分别展开了节理形貌表征,节理力学特性,错动节理渗透特性等试验研究。主要研究成果如下：(1)提出了一种改进的岩石节理三维形貌统计参数表征方法。首先,建立了不同方向的三维平均倾斜角计算方法；其次,针对花岗岩及红砂岩试样的三维形貌测量数据,按30。平面角度间距计算了该参数的各向异性,在此基础上提出改进的表观各向异性度计算方法；针对Belem等提出的表面平均梯度模的不足提出了改进的三维形貌参数算法；最后,运用改进的形貌参数算法对经历多次剪切的花岗岩和红砂岩劈裂节理试样进行了形貌特性分析。研究结果表明,改进的形貌参数能够更好地反映节理三维形貌变化特征,并能描述节理的各向异性；经历三次剪切作用后,节理表面的凹凸程度、粗糙性及各向异性度降低,但仍存在较大的各向异性；表面平均梯度模会随着剪切次数的增大不断减小。(2)进行了用花岗岩和红砂岩劈裂节理试件的多次直剪试验,研究了考虑三维形貌影响的峰值抗剪强度模型及其衰减规律。首先,采用可以考虑剪切方向影响的三平均视倾角θ*和最大接触面积比A0作为节理形貌参数,基于形貌参数变化规律给出了峰值剪胀角的估算模型,由此建立了岩石节理峰值剪切强度模型。然后,从模型表达形式及估算准确度方面,将其与Barton模型、Grasselli模型及夏才初模型进行了对比分析。详细分析了各模型的优缺点。新模型适用于锯齿状节理试样,物理意义更明确,形式简洁、估算准确具有工程使用价值。根据循环剪切试验结果,提出了可考虑多次剪切作用的节理峰值抗剪强度经验模型。模型可考虑节理三维形貌和剪切方向的影响。在此编写了节理强度模型的自定义本构模型,采用3DEC程序进行了节理剪切过程的数值模拟,模拟规律与试验结果具有较好的一致性。(3)为了研究岩石节理中的非线性渗流运动特性,进行了错动节理的渗流试验研究。试验法向荷载采用1.0MPa到5.0MPa五个级别。选择粗粒、中粒和细粒三种颗粒大小的花岗岩劈裂节理试样,采用三维激光扫描仪测量节理形貌并计算形貌参数。定量讨论了Forchheimer线性参数、非线性参数以及临界雷诺数与节理面壁形貌的关系。基于试验数据,建立了节理水力开度、水力梯度与渗透流量关系的非吻合节理非线性渗透模型。将建立的模型与Lomize模型、Forchheimer模型、Izbash模型进行了详细对比。讨论了各模型的局限性。结果证明,新模型物理意义明确,具有工程使用价值。最后,采用LBM方法进行了粗糙节理渗流运动规律(N-S方程)的数值模拟分析,验证了节理渗流中粗糙度对节理渗流的影响。(4)提供了一种能在试样周边形成效果很好的封水边界的适用于岩石节理剪切渗流试验的剪切盒设计方法。研制了岩石节理剪切渗流试验系统。能够在试样节理中形成稳定的层流,其与工程中岩体的真实渗流情况更接近。进行了在不同法向荷载和水压作用下的剪切渗流试验,研究了剪切作用对节理渗流流态的影响,分析了节理应力应变过程的渗透特性变化规律,讨论了剪切过程节理形貌变化对Forchheimer方程线性参数及非线性参数的影响。最后,研究了临界雷诺数随剪切位移的变化规律,提出了描述剪切过程中临界雷诺数的变化模型,讨论了水力开度、剪切位移与临界雷诺数的关系。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45

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